Тема 1. Химический состав клетки

 § 3. Элементный состав клеток

Науки, изучающие молекулярный уровень организации жизни. Более двадцати миллиардов лет назад гибель старой звезды и ослепительная вспышка сверхновой ознаменовала возникновение Солнечной системы. Во время этой вспышки образовались атомы, из которых состоит Солнечная система, включая Землю и всех ее обитателей. Изучение свойств живой материи  начинается  с определения ее элементного состава, строения и многообразия молекул. Химический состав организмов очень сложен, его изучали многие ученые  уже в ХVII –XVIII столетиях. В этот период появились первые сведения о составе организмов, т.к. объектами химического анализа становились лекарственные растения, органы и ткани животных. Французский естествоиспытатель Антуан Лоран Лавуазье, исследуя химический состав веществ, выделенных из растений и животных, обратил внимание, что они состоят из ограниченного числа химических элементов. Лавуазье установил, что кислород атмосферы потребляется животными и выделяется растениями, и доказал, что дыхание человека и животных с химической точки зрения представляет собой процесс окисления. К началу XIX века постепенно сформировались понятия о белках, жирах, углеводах, органических кислотах. При исследовании брожения были получены новые важные сведения о метаболизме веществ в живых организмах. В 1815г. Ж. Гей-Люссак предложил химическое уравнение спиртового брожения глюкозы. Важнейшими  достижениями биохимии второй половины половины XIX являются  выделение гликогена из печени и обнаружение его превращения в глюкозу, открытие нуклеина, обнаружение специфичности работы ферментов, первое упоминание о витаминах. XX век стал периодом становления фундаментальных биохимических концепций. В энзимологии (наука о ферментах) разработаны теоретические основы кинетики ферментативных реакций, установлена роль АТФ в биоэнергетике клетки, выяснены основные этапы механизма фотосинтеза, открыты ДНК и РНК, начинает развиваться молекулярная генетика.

Термин «биохимия» предложен в 1903 году немецким ученым К.Нейбергом.

Биохимия – это наука, которая изучает химический состав организмов, свойства   веществ и  закономерности химических превращений веществ в организмах. 

На основе классической биохимии возникли самостоятельные науки: молекулярная биология, биоорганическая химия, физико-химическая биология, биогеохимия, молекулярная генетика.  Современный период в развитии биохимии характеризуется новыми достижениями в изучении живой материи: исследованы сотни ферментных систем, гормонов, установлен в общих чертах механизм передачи генетической информации и метаболизма природных соединений в живых организмах.

Достижения биохимии широко используются в медицине, животноводстве, растениеводстве, микробиологии, вирусологии. Биохимия способствуют становлению высокотехнологичных отраслей науки, например, генетической инженерии, клеточной инженерии, нанобиотехнологии.

Элементный состав организмов.  Все живые организмы состоят из веществ, те соответственно, из химических элементов. Знание элементного состава живой материи носит не только теоретические, а и практические аспекты, например, в агрономии при создании комплексных удобрений для растений, в медицине для профилактики и лечении заболеваний, связанных с недостатком или избытком определенных элементов.  Химический элемент - это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра (протонным числом). Из более 110 элементов Периодической системы Д.И.Менделеева приблизительно 80-90 обнаруживают свое присутствие в живых организмах. Однако лишь  приблизительно 20- 30 из них составляют химическую основу жизни и являются биоэлементами. Биоэлементы- это химические элементы, которые входят в состав живых организмов и принимают участие в процессах жизнедеятельности. Эти элементы незаменимы, молекулы их соединений образуют части клеток, в виде ионов или в составе соединений биоэлементы  принимают участие в процессах жизнедеятельности.

Элементы в клетках  находятся  в составе простых веществ, биомолекул, в структуре молекул  неорганических соединений и  в виде ионов. Атомы, входящие в состав живых организмов, имеют такое же строение, как и в неживой. На атомарном уровне нет отличий между живой и неживой материей. А вот содержание тех, или иных элементов в живой и неживой природе отличается. Например, тройка лидеров – химических элементов по содержанию их в живой и неживой материи:

ü неживая материя: Оксиген, Кремний, Алюминий

ü живая материя: Оксиген, Карбон, Гидроген.

Классификация химических элементов. По количественному содержанию все элементы, встречающиеся в живых организмах, можно разделить на группы. Макроэлементы – массовая доля этих элементов  в клетке превышает 0,01%.

Макроэлементами являются:  О, С, Н, N + Na , Ca , K , Fe , Mg , S , P , Cl . Эти элементы содержаться во всех организмах, составляя 99,9% их массы. Из этого перечня элементов 98% приходится только 4 химическими элемента:  Н, О, С, N , они называются органогенными. Органогенные элементы, это неметаллы с малыми атомными массами, легко и в разном порядке они  могут образовывать ковалентные связи, что обеспечивает устойчивые молекулы, также они участвуют в образовании  водородных связей, вцелом образуют небольшое число видов химической связи, что не требует большого числа ферментов для разрушения таких связей.

Углерод (Карбон) является основным химическим элементов всех органических соединений (15-18%). Фактически органические вещества, это соединения Карбона, которые синтезируются в живых организмах. Атом Карбона имеет небольшую атомную массу,постоянную валентность в органических соединениях  – IV, может образовывать кратные связи (двойные и тройные), образует полимерные молекулы, соединяясь в цепи линейные, разветвленные и циклические.

В  составе СО₂  углерод обеспечивает автотрофное питание у фотосинтезирующих растений, пурпурных и зеленых серобактерий,а также у цианобактерии, реже у одноклеточных животных с миксотрофныи питанием. Углекислый газ в атмосфере частично имеет биогенное происхождение – результат  дыхания организмов. Наличие молекул СО₂ значимо для животных настолько, что повышенная его конценрация в крови является гуморальным фактором, обеспечивающим новый вдох. Соли угольной кислоты (карбонаты) принимают участие в образовании раковин моллюсков и наружного скелета некоторых ракообразных (например, крабы).

Кислород (Оксиген) имеет наибольшее содержание в живых орагнизмах, на его долю приходится 65-75%. Весь кислород в атмосфере О₂ имеет биогенное происхождение, т.к образуется в результате фотосинтеза. Кислород входит в состав органических и неорганических веществ, воды. В процессе эволюции организмы перешли на аэробное (с помощью кислорода) дыхание как способ получения энергии. В результате биологического окисления или в результате влияния внешних факторов,  в тканях организмов образуются свободные радикалы кислорода, которые имеют неспаренные электроны (О^2- ) и обладают высокой химической активностью. Свободные радикалы нарушают целостность клетки, вызывая различные заболевания (рак). Средством борьбы со свободными радикалами являются «антиоксиданты». Антиоксиданты отдают свой электрон радикалам и  тем самым прекращают окислительный процесс.

Водород (Гидроген) представлен 8-10% от общей массы клетки. Водород входит в состав неорганических веществ, в том числе и воды, а также органических соединений организмов. Удивительное единство демонстрируют клетки  в процессах получения энергии. В основе лежит процесс перераспределения катионов водорода, вследствие чего проиходит высвобождение энергии, необходимой для синтеза АТФ. Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) является универсальным источником энергии в клетках всех организмов.

Азота  (Нитрогена) в клетках всего 1,5-3%, однако значение его  весьма велико, т.к. азот присутствует  в структуре органических молекул: аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ,  в составе хитина (азотсодержащего полисахарида) у грибов и кутикуле членистоногих. Атмосферный азот растениями и животными не востребован, т.к. молекула N₂ химически инертна. Только механизм азотфиксации у некоторых бактерий  способен   трансформировать Азот в доступную для растений форму.

Микроэлементы, это биогенные элементы на долю которых приходится 0,1% массы клетки.  Чаще их биологическая роль связана с включением в биологические молекулы, реже они в виде ионов. Хоть содержание микроэлементов невелико, физиологическая их  роль очень значима.

Концентрация ультрамикроэлементов  не превышает 0,000001% от массы клетки. Физиологическая роль большинства этих элементов в организмах растений, животных и в клетках бактерий пока не установлена. К ним относятся уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий  и другие редкие элементы.

Физиологическая роль макроэлементов и некоторых микроэлементов представлена в таблице « Физиологическая роль макро- и микроэлементов».

Биологический практикум.  Рассмотрите комнатные растения и найдите признаки дефицита или избытка минеральных компонентов в почве. Сделайте вывод.